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EP3915189A1 - Elektromechanischer linearantrieb - Google Patents

Elektromechanischer linearantrieb

Info

Publication number
EP3915189A1
EP3915189A1 EP20702436.5A EP20702436A EP3915189A1 EP 3915189 A1 EP3915189 A1 EP 3915189A1 EP 20702436 A EP20702436 A EP 20702436A EP 3915189 A1 EP3915189 A1 EP 3915189A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmission element
electromechanical
housing
drive unit
linear drive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP20702436.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3915189B1 (de
Inventor
Reinhard Hübner
Dominik BOCSKAI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Original Assignee
Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Physik Instrumente PI GmbH and Co KG filed Critical Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Publication of EP3915189A1 publication Critical patent/EP3915189A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3915189B1 publication Critical patent/EP3915189B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025—Inertial sliding motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical linear drive, in particular for the precise positioning of an element to be driven.
  • the present invention relates to a linear drive which has an electromechanical drive unit, a transmission element coupled to it, and a drive element to be driven, which unit can be moved along the transmission element by deformation movements of the electromechanical drive unit due to an adhesive sliding effect.
  • DE 10 2005 026 708 B4 discloses a positioner in which a structural unit can be displaced via an adhesive slide drive along a translation axis accommodated in a housing and actuated by an actuator.
  • the translation axis is completely accommodated in the housing and is coupled to the housing via solid-state joints in order to secure the translation axis or the actuator against rotation and lateral displacement.
  • the use of solid-state joints, which must be firmly bonded to the end faces of the translation axis via adhesive, has a disadvantageous effect here on production costs and assembly costs.
  • JP H 08149860 discloses a similar drive, the housing of which has a recess in which a carrier axis of an element to be driven is arranged, and a further recess in which an electromechanical drive unit is arranged. Accordingly, the housing has a length that makes it possible to fully accommodate the longitudinal axis of the carrier axis and the electromechanical drive unit.
  • the restricted accessibility to the element to be driven is also disadvantageous in this configuration due to the surrounding housing. In particular, it is disadvantageous that the travel of the element to be driven is also limited due to the surrounding of the housing.
  • an electromechanical linear drive in a simplified and compact configuration, which is consequently characterized by low production costs and low assembly costs and unrestricted accessibility to the element to be driven and enables an extended travel of the element to be driven.
  • the present object is achieved by an electromechanical linear drive according to claim 1.
  • This comprises a housing, an electromechanical drive unit, a transmission element coupled to the electromechanical drive unit, an element to be driven which is in frictional contact with the transmission element, the transmission element being opposite at at least two bearing points the housing is mounted and the element to be driven is at an engagement point outside of all bearings with the transmission element in frictional contact.
  • the point at which the element to be driven is in engagement with the transmission element is outside the bearing points, a simple and compact configuration of the linear drive can be guaranteed with unrestricted access to the element to be driven. Furthermore, the travel of the element to be driven is not limited to the distance between the bearing points.
  • the invention provides that a first section of the transmission element, which is located between the bearing points, runs inside the housing and / or a second section of the transmission element, which is located outside of all bearing points, protrudes from the housing.
  • a first section of the transmission element which is located between the bearing points, runs inside the housing and / or a second section of the transmission element, which is located outside of all bearing points, protrudes from the housing.
  • the electromechanical drive unit preferably non-positively, is arranged in the housing and forms one of the bearing points of the transmission element. A functional combination with regard to driving and mounting the transmission element is thus achieved in the electromechanical drive unit.
  • the electromechanical linear drive comprises a guide element which forms one of the bearing points of the transmission element, wherein the guide element preferably supports the transmission element in an axially displaceable manner, the guide element preferably being designed as a bushing through which the transmission element projects.
  • the guide element has a part that is inside the housing and a part that is outside the housing. This division allows the respective parts of the guide element to be individually matched to their special function. While the part that is in the housing is a good connection to the housing must allow, the part that is located outside of the Ge, in particular to be coordinated with the guide of the transmission element.
  • the electromechanical linear drive comprises a pretensioning device that is configured to pretension the electromechanical drive unit against the housing, preferably against an inner surface of the housing, wherein the pretensioning device can preferably be screwed into the housing, and particularly preferably a diaphragm spring includes.
  • a high biasing force can be optimally applied to the electro-mechanical drive unit, whereby the working range of the drive unit can be adjusted.
  • the electromechanical linear drive comprises an intermediate element which is fixedly connected to the transmission element and which is arranged at least in sections between the transmission element and the electromechanical drive unit, preferably in such a way that the pretensioning force of the pretensioning device can be applied to the electromechanical drive unit via the intermediate element is. Since the intermediate element takes on the function of an adapter, transmission elements with different diameters or cross-sectional shapes can be coupled to the same drive unit.
  • the electromechanical drive unit is made of a piezoelectric or an electrostrictive or a magnetostrictive material.
  • the electromechanical drive unit has an annular shape or a hollow cylindrical shape and / or the transmission element is rod-shaped, preferably with a circular cross section, the intermediate element preferably being arranged concentrically with the electromechanical drive unit.
  • the intermediate element is integrally connected to the transmission element and / or to the electromechanical drive unit.
  • a loss-free connection of the transmission element to the electromechanical drive unit can be made possible by adhesive bonding.
  • a radial mounting of the transmission element is realized by the adhesive connection.
  • the transmission element is formed from a harder material than the guide element, the transmission element preferably being made of ceramic and the guide element preferably having a plastic and / or preferably consists of a plastic, the plastic having slip-improving and / or wear-reducing additives.
  • the transmission element protrudes with an interference fit through the guide element.
  • play-free guidance of the transmission element can be made possible.
  • first section of the transmission element is shorter than the second section of the transmission element. As a result, a long travel of the element to be driven can be provided in a compact housing.
  • the electromechanical drive unit can be excited to undergo deformation movements by the application of electrical voltages, the transmission element following the deformation movements of the electromechanical drive unit, and the resulting movements of the transmission element being transferable to the element to be driven, so that the element to be driven is defined Thrust force is movable along the axial direction of the transmission element.
  • the pretensioning force applied by the pretensioning device to the electromechanical drive unit is at least ten times the thrust force acting on the element to be driven.
  • the stick-slip effect denotes the sticking back of moving solid bodies and is known from the prior art.
  • the adjustment of the element to be driven along the transmission element by means of an adhesive sliding effect comprises an adhesive phase in which the element to be driven engages with the transmission element by means of static friction, and a sliding phase in which the element to be driven moves relative to the transmission element.
  • thrust describes the usable force of the electromechanical drive unit that can be exerted on an element to be driven.
  • blocking force denotes the pretensioning force acting on the electromechanical drive unit, in which the drive unit when the maximum possible electrical force is applied Voltage has no deformation compared to the mechanically and electrically unloaded state.
  • Figure 1 is a schematic representation of the linear drive according to the invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of an embodiment of the linear drive according to the invention.
  • FIG. 3 shows a perspective view of the linear drive according to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a further embodiment of the linear drive according to the invention.
  • Figure 1 illustrates the principle of the linear drive according to the invention in a schematic representation.
  • An element 8 to be driven is engaged at a point E (engagement point) with the transmission element 4 via frictional contact.
  • the point of engagement E lies outside the bearing points L1 and L2.
  • the electromechanical linear drive 1 contains the housing 2, which has a through bore with a jump in diameter.
  • An annular electromechanical drive unit 3 is arranged in the housing 2 in such a way that an end face of the electromechanical drive unit 3 is supported against an inner surface of the housing 2, which is provided due to the change in diameter of the housing bore.
  • the end face of the electromechanical drive unit 3 is glued to the inner surface of the housing 2.
  • the transmission element 4, which is preferably rod-shaped and has a circular cross section, is coupled to the electromechanical drive unit 3.
  • the transmission element 4 has one such an extension in the axial direction that a section A1 of the transmission element 4 extends within the housing 2 and another, preferably larger, section A2 of the transmission element 4 protrudes from the housing 2 (see FIG. 1).
  • a hollow cylindrical intermediate element 5 is inserted into the opening of the ring-shaped electromechanical drive unit 3, a collar of the intermediate element 5 being supported on the other end face of the electromechanical drive element 3.
  • the intermediate element 5 is glued to the electromechanical drive unit.
  • the transmission element 4 is arranged so that it protrudes through the opening of the inter mediate element 5 and in a preferred embodiment is glued to the intermediate element 5. So that the transmission element 4 is firmly connected to the electromechanical drive unit 3.
  • Electromechanical drive units are usually preloaded for correct operation.
  • the operating range of the electromechanical drive unit 3 is set in a targeted manner by the bias. In particular, this allows the balance of the deformation movements of the electromechanical drive unit 3 to be set.
  • a biasing device 6 is provided in the through hole at one end of the housing 2, which is essentially embodied by a screw.
  • the corresponding section of the through hole is provided with a thread, can be screwed into the biasing device 6.
  • a high pretensioning force can be optimally applied to the electromechanical drive unit 3 via the collar on the intermediate element 5 by the pretensioning device 6.
  • the biasing force is approximately 1/3 of the blocking force of the electromechanical drive unit 3.
  • the biasing device 6 comprises a diaphragm spring which is arranged between the screw and the collar of the intermediate element 5.
  • the diaphragm spring is a pure compression spring, which is provided exclusively for the axial preload of the electro-mechanical drive unit 3 and does not contribute to the mounting of the transmission element 4.
  • a guide element 7 in the form of a cylindrical bush is inserted into the through hole.
  • the guide element 7 comprises a part that is located inside the housing 2 and a part that is located outside the housing 2.
  • the guide element 7 is preferably glued into the housing 2 and / or pressed or screwed in.
  • the transmission element 4 protrudes through the guide element 7. In this case, at least in sections, preferably at the end section of the guide element 7 at which the transmission element 4 protrudes from the housing 2, there is no play Guidance of the transmission element 4 is provided by the guide element 7.
  • the transmission element 4 consists of a harder material than the guide element 7.
  • the transmission element 4 preferably consists of a ceramic material and the guide element 7 consists of a plastic or has at least one plastic.
  • the plastic can have slip-improving and / or wear-reducing additives.
  • the outer diameter of the transmission element 4 has an oversize compared to the inner diameter of the guide element 7, as a result of which a corresponding press fit prevails between the transmission element 4 and the guide element 7.
  • the transmission element 4 and the guide element 7 are preferably matched to one another in such a way that the interference fit prevails in the end section of the guide element 7 at which the transmission element 4 protrudes from the guide element 7.
  • This Endab section of the guide element 7 is located in the part of the guide element 7 which lies outside half of the housing 2.
  • the bearing point L1 lies outside the housing 2. Due to the choice of materials and diameter described, the transmission element 4 independently works a play-free guide made of the material of the guide element 7.
  • the frictional force between the guide element 7 and the transmission element 4, i. H. the axial force which has to be used to push the transmission element 4 through the guide element 4 is in the range: 0.1 thrust force ⁇ friction force ⁇ thrust force.
  • the part of the guide element 7 which lies within the housing 2 is only conditionally suitable for forming a defined fit, since, for example, in the case of a pressed-in guide element 7, forces from the housing 2 on this part of the guide element 7 are known.
  • the guidance of the transmission element 4 by the end section of the guide element 7 described above results in a large distance between the bearing points L1 and L2, the forces acting on the bearing points L1 and L2 being able to be kept small due to the corresponding lever.
  • the stood between the bearing points L1 and L2 approximately twice the axial length of the electromechanical drive unit 3.
  • the electromechanical drive unit 3 By applying electrical voltages, the electromechanical drive unit 3 can be excited to translational deformation movements that are transmitted to the coupled transmission element 4.
  • the element 8 to be driven which is in frictional contact at the point of engagement E on the second section A2 of the transmission element 4, which projects out of the housing 2, is along with a defined thrust force by the translational movements of the transmission element 4 and the above-described adhesive sliding effect the axial direction of the transmission element 4 shifted.
  • the element 8 to be driven By targeted electrical control of the electromechanical drive unit 3, the element 8 to be driven can be positioned exactly along the transmission element 4.
  • the pretensioning force applied by the pretensioning device 6 to the electromechanical drive unit 3 is typically twenty times, but at least ten times, the thrust force acting on the element 8 to be driven.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the linear drive.
  • the difference from the first embodiment essentially consists in the fact that the guide element 7 is integrated in the prestressing device 6 and the transmission element 4 projects through the prestressing device 6. In this way, the electromechanical linear drive can be made even more compact.
  • the distance between the bearing points L1 and L2 approximately corresponds to the axial length of the electromechanical drive unit 3.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Linearantrieb (1), umfassend ein Gehäuse (2), eine elektromechanische Antriebseinheit (3), ein mit der elektromechanischen Antriebseinheit (3) gekoppeltes Übertragungselement (4), ein mit dem Übertragungselement (4) in Friktionskontakt stehendes anzutreibendes Element (8), wobei das Übertragungselement (4) an wenigstens zwei Lagerstellen (L1, L2) gegenüber dem Gehäuse (2) gelagert ist. Um eine verbesserte Zugänglichkeit zum anzutreibenden Element (8) und einen verlängerten Stellweg des anzutreibenden Elements (8) zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das anzutreibende Element (8) an einer Eingriffsstelle (E) außerhalb aller Lagerstellen (L1, L2) mit dem Übertragungselement (4) in Friktionskontakt steht, wobei ein erster Abschnitt (A1) des Übertragungselements (4), der sich zwischen den Lagerstellen (L1, L2) befindet, innerhalb des Gehäuses (2) verläuft und/oder ein zweiter Abschnitt (A2) des Übertragungselements (4), der sich außerhalb aller Lagerstellen (L1, L2) befindet, aus dem Gehäuse (2) herausragt.

Description

Elektromechanischer Linearantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Linearantrieb, insbesondere zur präzisen Positionierung eines anzutreibenden Elements.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Linearantrieb, der eine elektromechani sche Antriebseinheit, ein damit gekoppeltes Übertragungselement und ein anzutreibendes Ele ment aufweist, welches durch Deformationsbewegungen der elektromechanischen Antriebsein heit aufgrund eines Haftgleiteffekts entlang des Übertragungselements bewegbar ist.
Antriebe dieser Art sind aus der DE 10 2005 026 708 B4 und der JP H 08149860 bekannt.
Die DE 10 2005 026 708 B4 offenbart einen Positionierer, bei dem eine Baueinheit über einen Haftgleitantrieb entlang einer in einem Gehäuse aufgenommenen und von einem Aktuator betä tigten Translationsachse verschiebbar ist. Die Translationsachse ist dabei vollständig im Gehäu se aufgenommen und über Festkörpergelenke mit dem Gehäuse gekoppelt, um die Translati onsachse bzw. den Aktuator gegen Drehung und seitlichen Versatz zu sichern. Ein Einsatz von Festkörpergelenken, die über Klebung fest mit den Endflächen der Translationsachse verbun den werden müssen, wirkt sich hier nachteilig auf Produktionskosten und Montageaufwand aus.
Die JP H 08149860 offenbart einen ähnlichen Antrieb, dessen Gehäuse eine Aussparung auf weist, in der eine Trägerachse eines anzutreibenden Elements angeordnet ist, und eine weitere Aussparung, in der eine elektromechanische Antriebseinheit angeordnet ist. Dementsprechend weist das Gehäuse eine Länge auf, die es ermöglicht, die Trägerachse in ihrer Längserstre ckung und die elektromechanische Antriebseinheit vollständig aufzunehmen. Neben der großen Längsdimension des Gehäuses, ist auch die eingeschränkte Zugänglichkeit zum anzutreibenden Element aufgrund des umgebenden Gehäuses bei dieser Konfiguration nachteilig. Insbesondere ist es nachteilig, dass auch der Stellweg des anzutreibenden Elements aufgrund des umgeben den Gehäuses begrenzt ist.
Im Hinblick auf den oben genannten Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegen den Erfindung, einen elektromechanischen Linearantrieb in vereinfachter und kompakter Konfi guration bereitzustellen, der sich folglich durch niedrige Produktionskosten und geringen Monta geaufwand auszeichnet sowie eine uneingeschränkte Zugänglichkeit zum anzutreibenden Ele ment und einen erweiterten Stellweg des anzutreibenden Elements ermöglicht. Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch einen elektromechanischen Linearantrieb gemäß Anspruch 1. Dieser umfasst ein Gehäuse, eine elektromechanische Antriebseinheit, ein mit der elektromechanischen Antriebseinheit gekoppeltes Übertragungselement, ein mit dem Übertra gungselement in Friktionskontakt stehendes anzutreibendes Element, wobei das Übertragungs element an wenigstens zwei Lagerstellen gegenüber dem Gehäuse gelagert ist und das anzu treibende Element an einer Eingriffsstelle außerhalb aller Lagerstellen mit dem Übertragungs element in Friktionskontakt steht. Dadurch, dass sich die Stelle, an der sich das anzutreibende Element mit dem Übertragungselement in Eingriff befindet, außerhalb der Lagerstellen befindet, kann eine einfache und kompakte Konfiguration des Linearantriebs mit uneingeschränkter Zu gänglichkeit zum anzutreibenden Element gewährleistet werden. Weiterhin ist der Stellweg des anzutreibenden Elements nicht auf den Abstand zwischen den Lagerstellen beschränkt.
Zudem sieht die Erfindung vor, dass ein erster Abschnitt des Übertragungselements, der sich zwischen den Lagerstellen befindet, innerhalb des Gehäuses verläuft und/oder ein zweiter Ab schnitt des Übertragungselements, der sich außerhalb aller Lagerstellen befindet, aus dem Ge häuse herausragt. Dadurch liegt der Stellweg des anzutreibenden Elements außerhalb des Ge häuses, wodurch dieser nicht auf die Dimensionen des Gehäuses beschränkt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Es kann sinnvoll sein, wenn die elektromechanische Antriebseinheit, vorzugsweise kraftschlüs sig, in dem Gehäuse angeordnet ist und eine der Lagerstellen des Übertragungselements bildet. Damit wird in der elektromechanischen Antriebseinheit eine Funktionsvereinigung hinsichtlich Antrieb und Lagerung des Übertragungselements erreicht.
Es kann von Nutzen sein, wenn der elektromechanische Linearantrieb ein Führungselement umfasst, das eine der Lagerstellen des Übertragungselements bildet, wobei das Führungsele ment das Übertragungselement vorzugsweise in axialer Richtung verschieblich lagert, wobei das Führungselement bevorzugt als Buchse ausgeführt ist, durch welche das Übertragungselement hindurchragt. Durch diese Konfiguration wird eine Gleitlagerung des Übertragungselements be reitgestellt.
Es kann weiterhin von Nutzen sein, wenn das Führungselement einen Teil aufweist, der sich innerhalb des Gehäuses befindet, und einen Teil, der sich außerhalb des Gehäuses befindet. Durch diese Aufteilung können die jeweiligen Teile des Führungselements individuell auf ihre spezielle Funktion abgestimmt werden. Während der Teil, der sich im Gehäuse befindet, eine gute Anbindung an das Gehäuse ermöglichen muss, kann der Teil, der sich außerhalb des Ge häuses befindet, insbesondere auf die Führung des Übertragungselements abgestimmt werden.
Es kann sinnvoll sein, wenn der elektromechanische Linearantrieb eine Vorspanneinrichtung umfasst, die konfiguriert ist, die elektromechanische Antriebseinheit gegen das Gehäuse, vor zugsweise gegen eine Innenfläche des Gehäuses, vorzuspannen, wobei die Vorspanneinrich tung bevorzugt in das Gehäuse einschraubbar ist, und besonders bevorzugt eine Membranfeder umfasst. Durch diese Konfiguration kann eine hohe Vorspannungskraft optimal auf die elektro mechanische Antriebseinheit aufgebracht werden, wodurch der Arbeitsbereich der Antriebsein heit eingestellt werden kann.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, wenn der elektromechanische Linearantrieb ein fest mit dem Übertragungselement verbundenes Zwischenelement umfasst, das zumindest abschnittsweise zwischen dem Übertragungselement und der elektromechanischen Antriebseinheit angeordnet ist, vorzugsweise derart, dass die Vorspannkraft der Vorspanneinrichtung über das Zwischen element auf die elektromechanische Antriebseinheit aufbringbar ist. Da das Zwischenelement die Funktion eines Adapters übernimmt, können Übertragungselemente mit verschiedenen Durchmessern oder Querschnittformen mit derselben Antriebseinheit gekoppelt werden.
Es kann nützlich sein, wenn die elektromechanische Antriebseinheit aus einem piezoelektri schen oder einem elektrostriktiven oder einem magnetostriktiven Material besteht.
Es kann sich als Vorteil erweisen, wenn die elektromechanische Antriebseinheit eine Ringform oder eine hohlzylindrische Form aufweist und/oder das Übertragungselement stabförmig, vor zugsweise mit kreisrundem Querschnitt, ausgebildet ist, wobei das Zwischenelement bevorzugt konzentrisch zu der elektromechanischen Antriebseinheit angeordnet ist.
Es kann sinnvoll sein, wenn das Zwischenelement mit dem Übertragungselement und/oder mit der elektromechanischen Antriebseinheit stoffschlüssig verbunden ist. Durch Klebung kann eine verlustfreie Anbindung des Übertragungselements an die elektromechanische Antriebseinheit ermöglicht werden. Weiterhin ist durch die Klebeverbindung eine radiale Lagerung des Übertra gungselements realisiert.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn das Übertragungselement aus einem härteren Mate rial als das Führungselement gebildet ist, wobei das Übertragungselement vorzugsweise aus Keramik besteht und das Führungselement vorzugsweise einen Kunststoff aufweist und/oder bevorzugt aus einem Kunststoff besteht, wobei der Kunststoff gleitverbessernde und/oder ver schleißreduzierende Zusätze aufweist.
Es kann sich überdies als nützlich erweisen, wenn das Übertragungselement mit einer Über maßpassung durch das Führungselement hindurchragt. Durch die gezielte Wahl der Werkstoffe und der Durchmesser des Übertragungselements und des Führungselements, kann eine spiel freie Führung des Übertragungselements ermöglicht werden.
Es kann nützlich sein, wenn der erste Abschnitt des Übertragungselements kürzer ist als der zweite Abschnitt des Übertragungselements. Dadurch kann ein langer Stellweg des anzutrei benden Elements bei einem kompakten Gehäuse bereitgestellt werden.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die elektromechanische Antriebseinheit durch Beaufschlagung mit elektrischen Spannungen zu Deformationsbewegungen anregbar ist, wobei das Übertra gungselement den Deformationsbewegungen der elektromechanischen Antriebseinheit folgt, und die daraus resultierenden Bewegungen des Übertragungselements auf das anzutreibende Element übertragbar sind, so dass dieses mit einer definierten Schubkraft entlang der axialen Richtung des Übertragungselements bewegbar ist.
Es kann von Nutzen sein, wenn die von der Vorspanneinrichtung auf die elektromechanische Antriebseinheit aufgebrachte Vorspannkraft mindestens das Zehnfache der auf das anzutrei bende Element wirkenden Schubkraft beträgt.
Begriffe und Definitionen
Der Haftgleiteffekt, oder auch der Stick-Slip-Effekt (von engl stick„haften“ und slip„gleiten“), bezeichnet das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern und ist aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei umfasst die Verstellung des anzutreibenden Elements entlang des Übertragungselements mittels Haftgleiteffekt eine Haftphase, in welcher das anzutreibende Element mit dem Übertragungselement mittels Haftreibung in Eingriff steht, und eine Gleitphase, in welcher sich das anzutreibende Element relativ zum Übertragungselement bewegt.
Der Begriff Schubkraft bezeichnet die nutzbare Kraft der elektromechanischen Antriebseinheit, die auf ein anzutreibendes Element ausgeübt werden kann.
Der Begriff Blockierkraft bezeichnet die auf die elektromechanische Antriebseinheit wirkende Vorspannkraft, bei der die Antriebseinheit bei Anlegen der maximal möglichen elektrischen Spannung keine Deformation gegenüber dem mechanisch und elektrisch unbelasteten Zustand aufweist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Linearantriebs.
Figur 2 eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Linearantriebs. Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Linearantriebs gemäß Figur 1.
Figur 4 eine Querschnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Line- arantriebs.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Figur 1 veranschaulicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Linearantriebs in einer schemati schen Darstellung.
Ein Übertragungselement 4, das mit einer elektromechanischen Antriebseinheit 3 gekoppelt ist, ist gegenüber einem Gehäuse 2 über ein Führungselement 7 bzw. ein mit einer Vorspannein richtung 6 einstellbares Zwischenelement 5 an zwei Lagerstellen L1 und L2 gelagert. Ein anzu treibendes Element 8 steht an einer Stelle E (Eingriffsstelle) mit dem Übertragungselement 4 über Friktionskontakt in Eingriff. Die Eingriffsstelle E liegt dabei außerhalb der Lagerstellen L1 und L2.
Eine detaillierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.
Der elektromechanische Linearantrieb 1 beinhaltet das Gehäuse 2, das eine Durchgangsboh rung mit einem Durchmessersprung aufweist. Eine ringförmige elektromechanische Antriebsein heit 3 ist so in dem Gehäuse 2 angeordnet, dass eine Stirnfläche der elektromechanischen An triebseinheit 3 gegen eine Innenfläche des Gehäuses 2, die aufgrund des Durchmessersprungs der Gehäusebohrung bereitgestellt ist, abgestützt ist. Die Stirnfläche der elektromechanischen Antriebseinheit 3 ist dabei mit der Innenfläche des Gehäuses 2 verklebt. Das Übertragungsele ment 4, das vorzugsweise stabförmig und mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet ist, ist mit der elektromechanischen Antriebseinheit 3 gekoppelt. Das Übertragungselement 4 weist eine derartige Erstreckung in axialer Richtung auf, dass ein Abschnitt A1 des Übertragungselements 4 innerhalb des Gehäuses 2 verläuft und ein anderer, vorzugsweise größerer, Abschnitt A2 des Übertragungselements 4 aus dem Gehäuse 2 herausragt (siehe Figur 1). In der vorliegenden Ausführungsform ist ein hohlzylindrisches Zwischenelement 5 in die Öffnung der ringförmigen elektromechanischen Antriebseinheit 3 eingesetzt, wobei sich ein Bund des Zwischenelements 5 an der anderen Stirnfläche des elektromechanischen Antriebselements 3 abstützt. In bevorzug ter Ausführungsform ist das Zwischenelement 5 mit der elektromechanischen Antriebseinheit verklebt. Das Übertragungselement 4 ist so angeordnet, dass es durch die Öffnung des Zwi schenelements 5 hindurchragt und ist in bevorzugter Ausführungsform mit dem Zwischenele ment 5 verklebt. Damit ist das Übertragungselement 4 fest mit der elektromechanischen An triebseinheit 3 verbunden.
Elektromechanische Antriebseinheiten werden für einen ordnungsgemäßen Betrieb in der Regel vorgespannt. Durch die Vorspannung wird der Arbeitsbereich der elektromechanischen An triebseinheit 3 gezielt eingestellt. Insbesondere lässt sich dadurch die Balance der Deformati onsbewegungen der elektromechanischen Antriebseinheit 3 einstellen. Dazu ist in der Durch gangsbohrung an einem Ende des Gehäuses 2 eine Vorspanneinrichtung 6 bereitgestellt, die im Wesentlichen durch eine Schraube verkörpert ist. Der entsprechende Abschnitt der Durch gangsbohrung ist dazu mit einem Gewinde versehen, in die Vorspanneinrichtung 6 einge schraubt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform kann durch die Vorspanneinrich tung 6 eine hohe Vorspannkraft über den Bund am Zwischenelement 5 optimal auf die elektro mechanische Antriebseinheit 3 aufgebracht werden. Die Vorspannkraft liegt dabei näherungs weise bei 1/3 der Blockierkraft der elektromechanischen Antriebseinheit 3. Für eine exakte Ein stellung der Vorspannkraft umfasst die Vorspanneinrichtung 6 eine Membranfeder, die zwischen der Schraube und dem Bund des Zwischenelements 5 angeordnet ist. Bei der Membranfeder handelt es sich um eine reine Druckfeder, die ausschließlich zur axialen Vorspannung der elekt romechanischen Antriebseinheit 3 bereitgestellt ist und nicht zur Lagerung des Übertragungs elements 4 beiträgt.
Auf der anderen Seite des Gehäuses 2 ist in die Durchgangsbohrung ein Führungselement 7 in Form einer zylindrischen Buchse eingesetzt. Dabei umfasst das Führungselement 7 einen Teil, der sich innerhalb des Gehäuses 2 befindet und einen Teil, der sich außerhalb des Gehäuses 2 befindet. Bevorzugt ist das Führungselement 7 in das Gehäuse 2 einklebt und/oder eingepresst oder eingeschraubt. Das Übertragungselement 4 ragt durch das das Führungselement 7 hin durch. Dabei ist, zumindest abschnittsweise, bevorzugt an dem Endabschnitt des Führungsele ments 7, an dem das Übertragungselement 4 aus dem Gehäuse 2 herausragt, eine spielfreie Führung des Übertragungselements 4 durch das Führungselement 7 vorgesehen. Damit ent spricht das Führungselement 7 einem Gleitlager, das als eine erste Lagerstelle L1 das Übertra gungselement 4 in axialer Richtung verschieblich und senkreckt zur axialen Richtung unver schieblich am Gehäuse 2 lagert. Eine zweite Lagerstelle L2 im Gehäuse 2 ist über die feste Ver bindung von Übertragungselement 4 zur elektromechanischer Antriebseinheit 3, die über die Vorspanneinrichtung 6 im Gehäuse 2 fixiert ist, bereitgestellt.
Die oben genannte spielfreie Führung des Übertragungselements 4 in dem Führungselement 7 wird insbesondere durch die Wahl der Werkstoffe und der Durchmesser des Übertragungsele ments 4 und Führungselements 7 realisiert. Dazu besteht das Übertragungselement 4 aus ei nem härteren Material als das Führungselement 7. Bevorzugt besteht das Übertragungselement 4 aus einem keramischen Werkstoff und das Führungselement 7 aus einem Kunststoff oder weist zumindest einen Kunststoff auf. Der Kunststoff kann dabei gleitverbessernde und/oder verschleißreduzierende Zusätze aufweisen. Der Außendurchmesser des Übertragungselements 4 weist ein Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser des Führungselements 7 auf, wodurch eine entsprechende Presspassung zwischen Übertragungselement 4 und Führungselement 7 vorherrscht. Bevorzugt sind Übertragungselement 4 und Führungselement 7 derart aufeinander abgestimmt, dass die Presspassung in dem Endabschnitt des Führungselements 7 vorherrscht, an dem das Übertragungselement 4 aus dem Führungselement 7 herausragt. Dieser Endab schnitt des Führungselements 7 befindet sich in dem Teil des Führungselements 7, der außer halb des Gehäuses 2 liegt. Dadurch liegt die Lagerstelle L1 außerhalb des Gehäuses 2. Durch die beschriebene Wahl der Werkstoffe und Durchmesser arbeitet sich das Übertragungselement 4 selbstständig eine spielfreie Führung aus dem Material des Führungselements 7. Die Reibkraft zwischen dem Führungselement 7 und dem Übertragungselement 4, d. h. die axiale Kraft, die zum Durchschieben des Übertragungselements 4 durch das Führungselement 4 aufgewendet werden muss, liegt im Bereich: 0,1 Schubkraft < Reibkraft < Schubkraft.
Der Teil des Führungselements 7, der innerhalb des Gehäuses 2 liegt, ist für die Ausbildung einer definierten Passung nur bedingt geeignet, da beispielsweise im Fall eines eingepressten Führungselements 7 Kräfte von dem Gehäuse 2 auf diesen Teil des Führungselements 7 wir ken.
Weiterhin resultiert die Führung des Übertragungselements 4 durch den oben beschriebenen Endabschnitt des Führungselements 7 in einem großen Abstand der Lagerstellen L1 und L2, wobei die auf die Lagerstellen L1 und L2 wirkende Kräfte aufgrund der entsprechenden Hebel längen gering gehalten werden können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Ab- stand zwischen den Lagerstellen L1 und L2 näherungsweise das Doppelte der axialen Länge der elektromechanischen Antriebseinheit 3.
Durch Beaufschlagung mit elektrischen Spannungen ist die elektromechanische Antriebseinheit 3 zu translatorischen Deformationsbewegungen anregbar, die auf das gekoppelte Übertra gungselement 4 übertragen werden. Das anzutreibende Element 8, das an der Eingriffsstelle E auf dem zweiten Abschnitt A2 des Übertragungselements 4, der aus dem Gehäuse 2 heraus ragt, in Friktionskontakt steht, wird durch die translatorischen Bewegungen des Übertragungs elements 4 und den oben beschriebenen Haftgleiteffekt mit einer definierten Schubkraft entlang der axialen Richtung des Übertragungselements 4 verschoben. Durch eine gezielte elektrische Ansteuerung der elektromechanischen Antriebseinheit 3 kann das anzutreibende Element 8 entlang des Übertragungselements 4 exakt positioniert werden.
Die von der Vorspanneinrichtung 6 auf die elektromechanische Antriebseinheit 3 aufgebrachte Vorspannkraft beträgt typischerweise das Zwanzigfache, mindestens jedoch das Zehnfache, der auf das anzutreibende Element 8 wirkenden Schubkraft.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs. Der Unterschied zur ersten Aus führungsform besteht im Wesentlichen darin, dass das Führungselement 7 in die Vorspannein richtung 6 integriert ist und das Übertragungselement 4 durch die Vorspanneinrichtung 6 hin durchragt. Auf diese Weise kann der elektromechanische Linearantrieb noch kompakter ausge führt werden. In dieser Ausführungsform entspricht der Abstand der Lagerstellen L1 und L2 nä herungsweise der axialen Länge der elektromechanischen Antriebseinheit 3.
Bezugszeichenliste
1 elektromechanischer Linearantrieb
2 Gehäuse
3 elektromechanische Antriebseinheit
4 Übertragungselement
5 Zwischenelement
6 Vorspanneinrichtung
7 Führungselement
8 anzutreibendes Element
A1 erster Abschnitt des Übertragungselements
A2 zweiter Abschnitt des Übertragungselements
E Eingriffsstelle des anzutreibenden Elements mit dem Übertragungselement
L1 erste Lagerstelle des Übertragungselements
L2 zweite Lagerstelle des Übertragungselements

Claims

Ansprüche
1. Elektromechanischer Linearantrieb (1), umfassend
ein Gehäuse (2),
eine elektromechanische Antriebseinheit (3),
ein mit der elektromechanischen Antriebseinheit (3) gekoppeltes Übertragungselement
(4),
ein mit dem Übertragungselement (4) in Friktionskontakt stehendes anzutreibendes Ele ment (8), wobei
das Übertragungselement (4) an wenigstens zwei Lagerstellen (L1 , L2) gegenüber dem Gehäuse (2) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das anzutreibende Element (8) an einer Eingriffsstelle (E) außerhalb aller Lagerstellen (L1 , L2) mit dem Übertragungselement (4) in Friktionskontakt steht, wobei ein erster Ab schnitt (A1) des Übertragungselements (4), der sich zwischen den Lagerstellen (L1 , L2) befindet, innerhalb des Gehäuses (2) verläuft und/oder ein zweiter Abschnitt (A2) des Übertragungselements (4), der sich außerhalb aller Lagerstellen (L1 , L2) befindet, aus dem Gehäuse (2) herausragt.
2. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Antriebseinheit (3), vorzugsweise kraftschlüssig, in dem Gehäu se (2) angeordnet ist und eine der Lagerstellen (L1 , L2) des Übertragungselements (4) bildet.
3. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Linearantrieb (1) ein Führungselement (7) umfasst, das ei ne der Lagerstellen (L1 , L2) des Übertragungselements (4) bildet, wobei das Führungs element (7) das Übertragungselement (4) vorzugsweise in axialer Richtung verschieblich lagert, wobei das Führungselement (7) bevorzugt als Buchse ausgeführt ist, durch wel che das Übertragungselement (4) hindurchragt.
4. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (7) einen Teil aufweist, der sich innerhalb des Gehäuses (2) befin det, und einen Teil, der sich außerhalb des Gehäuses (2) befindet.
5. Elektromechanischer Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Linearantrieb (1) eine Vorspanneinrich tung (6) umfasst, die konfiguriert ist, die elektromechanische Antriebseinheit (3) gegen das Gehäuse (2), vorzugsweise gegen eine Innenfläche des Gehäuses (2), vorzuspan nen, wobei die Vorspanneinrichtung (6) bevorzugt in das Gehäuse (2) einschraubbar ist, und besonders bevorzugt eine Membranfeder umfasst.
6. Elektromechanischer Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Linearantrieb (1) ein fest mit dem Über tragungselement (4) verbundenes Zwischenelement (5) umfasst, das zumindest ab schnittsweise zwischen dem Übertragungselement (4) und der elektromechanischen An triebseinheit (3) angeordnet ist, vorzugsweise derart, dass eine Vorspannkraft der Vor spanneinrichtung (6) über das Zwischenelement (5) auf die elektromechanische An triebseinheit (3) aufbringbar ist.
7. Elektromechanischer Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Antriebseinheit (3) aus einem piezoe lektrischen oder einem elektrostriktiven oder einem magnetostriktiven Material besteht.
8. Elektromechanischer Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Antriebseinheit (3) eine Ringform oder eine hohlzylindrische Form aufweist und/oder das Übertragungselement (4) stabförmig, vorzugsweise mit kreisrundem Querschnitt, ausgebildet ist, wobei das Zwischenelement (5) bevorzugt konzentrisch zu der elektromechanischen Antriebseinheit (3) angeordnet ist.
9. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (5) mit dem Übertragungselement (4) und/oder mit der elektrome chanischen Antriebseinheit (3) stoffschlüssig verbunden ist.
10. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) aus einem härteren Material als das Führungselement (7) gebildet ist, wobei das Übertragungselement (4) vorzugsweise aus Keramik besteht und das Führungselement (7) vorzugsweise einen Kunststoff aufweist und/oder bevorzugt aus einem Kunststoff besteht, wobei der Kunststoff gleitverbessernde und/oder ver schleißreduzierende Zusätze aufweist.
11. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) mit einer Übermaßpassung durch das Führungselement
(7) hindurchragt.
12. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (A1) des Übertragungselements (4) kürzer ist als der zweite Abschnitt (A2) des Übertragungselements (4).
13. Elektromechanischer Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Antriebseinheit (3) durch Beaufschla gung mit elektrischen Spannungen zu Deformationsbewegungen anregbar ist, wobei das Übertragungselement (4) den Deformationsbewegungen der elektromechanischen An triebseinheit (3) folgt, und die daraus resultierenden Bewegungen des Übertragungsele ments (4) auf das anzutreibende Element (8) übertragbar sind, so dass dieses mit einer definierten Schubkraft entlang der axialen Richtung des Übertragungselements (4) be wegbar ist.
14. Elektromechanischer Linearantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vorspanneinrichtung (6) auf die elektromechanische Antriebseinheit (3) auf gebrachte Vorspannkraft mindestens das Zehnfache der auf das anzutreibende Element
(8) wirkenden Schubkraft beträgt.
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